Свойства клубеньковых бактерий

БИОУДОБРЕНИЯ. ПОЛУЧЕНИЕ АЗОТОФИКСИРУЮЩИТХ БАКТЕРИАЛЬНЫХ ПРЕПАРАТОВ

Интенсивное возделывание сельскохозяйственных культур обедняет почву азотом, который уходит с урожаем. Поэтому с давних времён в сельском хозяйстве практиковалось восстановление и улучшение почв выращиванием на них бобовых растений. Они не только обогащают почву азотом, доступном для других растений, но и дают корни, богатые белками. К. А. Тимирязев писал по этому повод: «Едва ли в истории найдется много открытий, которые были бы таким благодеянием для человечества, как это включение клевера и вообще бобовых растений в севооборот, так поразительно увеличившие производительность труда земледельца». Разведение бобовых трав в России было начато основоположником отечественной научной агрономии А. Т. Болотовым (1738 - 1833). В 1820 г. было организованно общество сельского хозяйства, пропагандирующее эффект возделывания бобовых, что явилось стимулом познания причин повышения плодородия земель, занятых под эти культуры.

В 1838 г. Буссенго, проводя опыты с клевером и горохом, показал, что при выращивании этих растений на прокаленном песке они накапливают азот. Источник его мог быть только один – атмосфера. В 1888 г. Г. Гельригелю и Г. Вильфарту удалось установить, что бобовые растения могут «питаться» атмосферным азотом. Впервые наличие бактерий в клубеньках на корнях бобовых отметили Лахман (1858) и Воронин (1866). Окончательно образование клубеньков под влиянием бактерий, осуществляющих азотфиксацию, доказал М. Бейеринк (1888). Он получил эти микроорганизмы в виде чистой культуры и назвал Bacillius radicicola.

Вскоре были выделены и другие азотофиксаторы. В настоящее время известно довольно много прокариотных микроорганизмов. В их числе есть и симбиотические и свободноживущие виды. Из них наибольшее значение для повышения урожая сельскохозяйственных культур имеет использование клубеньковых бактерий.

По существующей классификации азотофиксирующие бактерии, образующие клубеньки на корнях бобовых растений, относят к родам Rhizobium и Bradyrhizobium. Видовые название соответствуют роду растения, на корнях которого образуют клубеньки. Например, Rhizobium lipini - бактерия, образующая клубеньки на корнях люпина, Rhizobium trifolii - на корнях клевера и т. д. Однако такое деление в какой-то степени условно, отдельне виды Rhizobium способны поселяться на корнях большинства видов и даже разных родов бобовых растений.

У современных бобовых (~13000 видов, 550 родов) растений образование клубеньков выявлено примерно у 1300 видов. Клубеньковые бактерии встречаются также и в почве, но не всегда в количестве, достаточном для активного образования клубеньков на корнях тех или иных бобовых растений.

Клетки клубеньковых бактерий в молодых культурах обычно палочковидные (0,5 - 0,9 х 1,2-3,0 мкм). Но в некоторых условиях могут становится овальными, кокковидными, а также разветвленными и грушевидными. Такие крупные, часто неправильные по форме клетки (бактероиды) обнаруживаются, как правило, в клубеньках.

Многие клубеньковые растения в молодом возрасте подвижны благодаря наличию перитрихиально расположенных жгутиков. Грамотрицательные. В качестве запасного продукта образуют поли-β-гидроксибутират. Размножаются делением. Подразделяются на быстрорастущие (бактерии гороха, клевера, люцерны, фасоли, донника, бобов) и медленнорастущие (бактерии люпина, сои, арахиса, эспарцета).

Растут бактерии в чистых культурах, содержащих углеводы или другие органические вещества. Некоторые штаммы способны также расти в автотрофных условиях в присутствии молекулярного водорода как источника энергии.

До недавнего времени считали, что все клубеньковые бактерии для роста нуждаются в наличии молекулярного кислорода, хотя способны развиваться в микроаэробных условиях. Но было обнаружено, что некоторые штаммы клубеньковых бактерий способны расти в анаэробных условиях в присутствии нитратов как акцепторов электронов.

Оптимальная температура для роста разных видов клубеньковых бактерий - 25 - 30^оС, оптимальное значение рН чаще всего - 6,8 - 7,0.

Количество бактериальных клеток, необходимых для инфицирования одного растения, довольно велико (от 500 до 1 млн. на семя). Однако в ткани корня попадают лишь единичные клетки. Бактерия «узнаёт» своего хозяина при помощи особого гликопептида - лектина, расположенного на корневых волосках. При внедрении Rhizobium в корневые волоски образуются так называемые инфекционные нити, в которых находятся размножающиеся бактерии. Такие нити проникают в кору корня и достигают тетраплоидных клеток, после чего начинают формироваться клубеньки. В зрелом клубеньке на продольном срезе можно выделить четыре зоны тканевой дифференциации: кора, меристема, бактероидная зона и сосудистая система. Меристема функционирует долго, даже во время некроза клубеньков. Бактероидная зона занимает центральную часть клубенька (15 – 50 % от его сухой биомассы), причём в начале формирования клубенька клетки находится в обычное форме, а затем образует бактероиды, фиксирующие молекулярный азот.

Появление клубенька происходит во время развития первых настоящих листьев, и у однолетних растений функционируют они недолго - некроз начинается во время цветения растения. Часть бактероидных клеток лизируется, другая попадает в почву в виде мелких кокков.

Фиксация молекулярного азота клубеньковыми бактериями, как и другими прокариотами, ведёт к образованию аммиака, из которого затем синтезируется аминокислоты. Кроме того, процесс азотфиксации часто сопровождается выделением молекулярного водорода:

N₂+8H⁺+8ē+n АТФ → 2NH₃+H₂+n АДФ+n Ф

Многие клубеньковые бактерии содержат гидрогеназу, которая катализирует окисление Н₂, в результате чего происходит рециклизация. В образовании из молекулярного азота аммиака, а также молекулярного водорода участвует фермент нитрогеназа, состоящий из двух компонентов. Компонент I представляет собой железо и молибденсодержащий белок, компонент II - железосодержащий белок. Нитрогеназа образуется и активна лишь в анаэробных условиях. В связи с этим аэробные азотфиксаторы должны тем или иным образом обеспечивать такие условия для её функционирования. У клубеньковых бактерий, находящихся в клубеньках, в этом участвует особый железосодержащий пигмент – леггемоглобин. Он, как и гемоглобин крови, обратимо связывает молекулярный кислород. Образование леггемоглобина наблюдается только в клубеньках. Из практики использования клубеньковых бактерий известно, что чем краснее клубеньки (в результате наличия леггемоглобина), тем интенсивнее идет фиксация азота.

Ранее считали, что клубеньковые бактерии способны фиксировать молекулярный азот, лишь находясь в клубеньках в форме бактероида. Но в последние годы показана возможность фиксации N₂ и чистыми культурами некоторых из этих микроорганизмов в условиях низкого парциального давления О₂.